Управления мобильным роботом в динамической среде

Размещено на http://www.allbest.ru/

^1,2КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, г.Калуга 248000

Управления мобильным роботом в динамической среде

Д.В. Атагой¹, А.В. Лачихин²

e-mail: ¹dantez9@yandex.ru,²alexlach73@gmail.com

Целью нашего исследования является решение задачи управления сервисным мобильным роботом в динамической среде придвижении к целевой точке. Рассмотрим как классические методы, так и современные, которые успешно применяются в текущих разработках.

При отсутствии препятствий, для автоматического перемещения робота необходимо знать его текущее положение и координаты целевой точки в системе координат помещения. Тогда для управления мобильным роботом достаточно построить следящую систему управления с обратной связью по положению, где в качестве невязки выступает расстояние до точки и отклонение курса. При наличии статических препятствий навигационная система должна проложить маршрут, с учетом их расположения на карте. После этого, чтобы достичь целевой точки, необходимо провести робот вдоль спланированной траектории.

В динамической среде движение препятствий нельзя рассчитать заранее, т.к. среда в общем случае является недетерминированной, поэтому невозможно предварительно построить маршрут, который позволит двигаться безопасно. Чтобы избежать столкновений с динамическими препятствиями, необходимо определять текущее их положение и предсказывать траекторию движения. Тогда можно двигаться вдоль спланированной траектории, отклоняясь от нее в нужный момент, чтобы совершить маневр для обхода препятствия.

Сформулируем задачу управления мобильным роботом следующим образом. Пусть известна карта помещения в виде сеточной функции. Пусть также задана целевая точка в системе координат этого помещения. Положение мобильного робота в этой же системе координат определяется путем решения задачи SLAM. Внутри помещения находятся подвижные препятствия, количество, положение и траектории движения которых неизвестны. мобильный робот динамический координата

Необходимо:

1. проложить оптимальный по расстоянию и времени маршрут от текущего положения робота до целевой точки;

2. определить положение, размеры и параметры движения препятствий;

3. провести мобильный робот вдоль спланированного маршрута, избегая столкновения с препятствиями.

При решении задачи были приняты следующие допущения:

1. все подвижные препятствия, которые представляют опасность, находятся в зоне видимости лазерного дальномера;

2. мобильный робот и подвижные препятствия можно описать габаритными окружностями;

3. все подвижные препятствия подчиняются уравнениям кинематики трехколесного мобильного робота;

4. приводной уровень системы управления мобильного робота отрабатывает заданные линейную и угловую скорости его движения.

Данная задача является нетривиальной, поэтому она разбита на четыре подзадачи, каждая из которых решена и исследована отдельно от других:

1. планирование маршрута;

2. трассировка подвижных препятствий;

3. следование вдоль маршрута;

4. обход подвижных препятствий.

Для реализации в системе управления были выбраны: алгоритм A*, метод эффективного пути и метод динамического окна (DWA). Следует отметить, что рассмотренные решения предназначены для работы в статической среде, поэтому они были соответствующим образом модифицированы для управления движением мобильного робота при наличии динамических препятствий.

На основании вышесказанного, был предложен следующий алгоритм решения поставленной задачи (Рис. 1).

Рисунок 1 - алгоритм управления мобильным роботом в динамической среде.

На этом рисунке утолщенной рамкой выделены процессы, которые выполняются при управлении движением в среде с динамическими препятствиями[1].

Чтобы воспользоваться этим алгоритмом, необходимо отобразить карту помещения на граф. Для карты-сетки такое отображение является стандартным, при этом карта представляет собой восьмисвязный граф, вершины которого находятся в центре каждой ячейки, а ребрами являются переходы к соседним; каждая ячейка может быть «свободной», «занятой», а также обладать некоторой стоимостью перехода через нее.

Карта сеточных функций обладает рядом преимуществ, по сравнению с классической картой занятости, в частности:

1. известно расстояние от каждой ячейки до ближайшего препятствия;

2. учитываются габариты мобильного робота;

3. расстояние до препятствия используется в качестве стоимости перехода.

Под трассировкой подвижных препятствий понимается определение положения, размеров и параметров движения каждого препятствия в системе координат помещения. Очевидно, что для этого подвижные препятствия должны находиться в зоне сканирования лазерного дальномера. Так как робот находится в реальной среде, все подвижные объекты (люди, животные, другие роботы) являются физическими телами, обладающими массой, и подчиняются уравнениям динамики, поэтому их можно назвать динамическими препятствиями.

Задача управления движением мобильного робота при наличии только статических препятствий является классической. Имеется множество наработок и решений в этой области. Типичная функциональная схема такой системы управления была представлена в обзоре алгоритмов управления мобильным роботом.

В данной работе задача формулируется следующим образом. Пусть имеется карта помещения и кусочно-линейная траектория, построенная от текущего положения мобильного робота до целевой точки. Положение робота определяется при помощи алгоритма SLAM.

Для реализации управления был выбран метод эффективного пути. Понятие «эффективный путь» означает отрезок, соединяющий текущее положение робота с текущей опорной точкой. Опорная точка - это точка на траектории, к которой робот стремится в текущий момент. По сути, результатом работы метода является выбор координат опорной точки на траектории.

После того, как найден эффективный путь, необходимо выдавать сигнал управления на робота, чтобы он двигался к опорной точке. Существует ряд способов управления движением мобильного робота. Для нашего случая целесообразно использовать управление с линейными регуляторами, т.к. оно хорошо изучено и является самым простым в реализации. Основная идея такого управления - это минимизировать ошибки системы как по углу между направлением робота и направлением на точку, так и по расстоянию до этой точки.

Последняя подзадача управления мобильным роботом в динамической среде - обход подвижных препятствий. Для того чтобы мобильный робот мог обойти движущееся препятствие, необходимо предсказывать траекторию его движения, и, следовательно, знать его положение на несколько шагов вперед. Параметры движения препятствий были получены при помощи алгоритма их трассировки[2].

Вывод: решена задача управления мобильным роботом при движении к целевой точке в среде, содержащей динамические препятствия. Предложен алгоритм управления мобильным роботом в недетерминированной среде, рассмотрены все подзадачи управления.

Список литературы

[1]Герасимов В.Н. Решение задачи управления движением мобильного робота при наличии динамических препятствий / В.Н. Герасимов, Б.Б. Михайлов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Приборостроение". М.2012. Спец.выпуск № 6 "Робототехнические системы". С. 83-92.

[2] Лисицкий Д.Л. Разработка алгоритмов управления движением автономных мобильных роботов: автореферат дис. канд. тех. наук. Саратов. 2012. 16 с.

Размещено на Allbest.ru